از کپک روی سقف تا بتنی که خانه‌ها را روشن می‌کند
طبق گزارش وبسایت «اینترستینگ انجنیرینگ»، این باکتری پس از ورود به ساختار بتنی، شبکه‌ای از حامل‌های بار ایجاد کرده و انرژی را ذخیره و آزاد می‌کند. با تمام شدن مواد مغذی، فعالیت باکتری‌ها کاهش می‌یابد. برای حل این مشکل، دانشمندان یک سیستم ریزسیالاتی (microfluidic) را در بتن تعبیه کردند. این سیستم پروتئین‌ها، ویتامین‌ها، نمک‌ها و فاکتور‌های رشد را برای زنده نگه داشتن یا احیای باکتری‌ها فراهم می‌کند. این رویکرد تا ۸۰ درصد از ظرفیت اولیه سیستم را بازیابی می‌کند. این کشف نشان می‌دهد که چگونه مصالح ساختمانی ممکن است به زودی نقش فعالی در سیستم‌های انرژی ایفا کنند. در ادامه مصاحبه خبرنگار آنا با دکتر چی لو، پژوهشگر ارشد این پژوهش را می‌خوانید:
چه چیزی در ابتدا شما را به بررسی ایده جاسازی باکتری‌های زنده در بتن ترغیب کرد و شما را بر آن داشت تا این دیدگاه دیرینه را که بتن یک ماده بی‌جان است، به چالش بکشید؟
الهام اولیه از یک تجربه نسبتا ناخوشایند در طول اقامتم در سنگاپور برای تحصیلات فوق دکترا به دست آمد. پس از نقل مکان و اجاره خانه، خیلی زود متوجه شدم که کپک در سراسر سقف بتنی در حال رشد است. یک تیم حرفه‌ای را برای از بین بردن آن استخدام کردم؛ اما تنها چند ماه بعد، کپک‌ها دوباره برگشتند. این مسئله باعث شد که متوجه شوم: این میکروارگانیسم‌ها فوق‌العاده مقاوم هستند و می‌توانند در شرایط سخت در داخل بتن زنده بمانند؛ بنابراین به جای مبارزه با آنها، چرا سعی نکنیم از قابلیت‌هایشان استفاده کنیم؟
این اتفاق، نقطه شروع برای تصور نوع جدیدی از بتن بود که نه فقط خود ترمیم شونده باشد بلکه به طور فعال عملکرد‌های مفیدی را انجام دهد. ما همیشه بتن را بی‌جان می‌دانستیم؛ اما شاید لازم نباشد که اینطور باشد.
چرا به طور ویژه باکتری «شوانلا انیدنسیس» (Shewanella oneidensis) را انتخاب کردید و چگونه توانایی منحصر‌به‌فرد آن در انتقال الکترون‌ها به خارج از سلول، این عملکرد ذخیره انرژی را امکان‌پذیر می‌کند؟ آیا این باکتری به راحتی در دسترس است یا برای کاربرد در دنیای واقعی مقیاس پذیر است؟
ما این باکتری را انتخاب کردیم؛ زیرا یکی از شناخته‌شده‌ترین باکتری‌های الکتروفعال است. باکتری «شوانلا انیدنسیس» می‌تواند الکترون‌ها را به خارج از غشای سلولی خود منتقل کند - یک توانایی نادر - و مستقیما با مواد رسانا تعامل داشته باشد. این انتقال الکترون خارج سلولی، ذخیره انرژی را در سیستم مبتنی بر سیمان ما امکان‌پذیر می‌کند. علاوه بر این، این باکتری غیربیماری‌زا است، نیازی به اصلاح ژنتیکی ندارد و کشت آن نسبتا آسان است. این مسئله آن را به یک کاندیدای امیدوارکننده برای مقیاس پذیر بودن و ادغام در زیرساخت‌های کاربردی تبدیل می‌کند.
ماده شما به عنوان یک ابرخازن عمل می‌کند. در مقایسه با باتری‌های لیتیومی، چه مزایایی دارد؟ آیا در مرحله فعلی توسعه، ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی آن با باتری‌های تجاری قابل مقایسه است؟
سیستم ما که برپایه سیمان و فعالیت میکروبی است، عملکرد عالی در ذخیره‌سازی انرژی نشان داده است و از نظر چگالی انرژی و پایداری، در میان دستگاه‌های مبتنی بر سیمان متمایز است. در حال حاضر، پژوهشگران زیادی در سراسر جهان در حال بررسی مواد سیمانی به عنوان پلتفرم‌هایی برای ذخیره‌سازی انرژی هستند و هدف آنها لزوما رقابت با باتری‌های تجاری نیست بلکه هدف تعریف مجدد آن چیزی است که زیرساخت‌ها می‌توانند انجام دهند.
یکی از مزایای کلیدی سیستم‌های انرژی مبتنی بر سیمان، مقرون به صرفه بودن و مقیاس‌پذیری آنها است. برخلاف فناوری‌های باتری‌های سنتی که اغلب گران هستند و نمی‌توان همه جا آنها را نصب کرد، بتن در حال حاضر ستون فقرات محیط ساخته شده (توسط) ما است. به این فکر کنید که هر سال چه تعداد ساختمان، جاده و پل جدید می‌سازیم، حتی اگر بخش کوچکی از آن بتن بتواند انرژی را ذخیره کند، تأثیر انباشته بالقوه آن بسیار زیاد خواهد بود.
توانایی «احیای» این ماده با تأمین مواد مغذی یکی از برجسته‌ترین ویژگی‌های آن است. می‌توانید توضیح دهید که سیستم ریزسیالاتی یکپارچه چگونه درون سیمان کار می‌کند و آیا این سازوکار می‌تواند عملا در ساختمان‌های واقعی بدون نیاز به نگهداری پیچیده پیاده‌سازی شود؟
این ایده در واقع بسیار طبیعی و منطقی است؛ چرا که باکتری‌ها مانند انسان‌ها، برای زنده ماندن به شرایط خاصی نیاز دارند؛ مانند مواد مغذی (به عنوان «غذا»ی آنها) و اکسیژن. در ابرخازن میکروبی مبتنی بر سیمانِ ما، باکتری‌ها به‌طور فعال در ذخیره‌سازی انرژی مشارکت می‌کنند؛ اما با گذشت زمان، اگر منابع مغذی به پایان برسند، فعالیت آنها و در نتیجه عملکرد دستگاه کاهش می‌یابد.
برای رفع این مشکل، سیستم را با کانال‌های ریز داخلی طراحی کردیم؛ شبیه لوله‌های بسیار کوچکی که در درون ساختار بتن جاسازی شده‌اند. این کانال‌ها به ما امکان می‌دهند در زمان نیاز، مواد مغذی تازه را برای باکتری‌ها تأمین کنیم؛ یعنی به‌طور عملی «احیا» کردن آنها و بازگرداندن عملکرد دستگاه. البته این روش فقط زمانی مؤثر است که باکتری‌ها هنوز زنده باشند. به همین علت است که محافظت از بقای طولانی مدت آنها بخش کلیدی تحقیقات ما است.
در آزمایش‌های قبلی، عملکرد این ماده را در دمای بسیار بالا و پایین نشان دادید. آیا تأثیر سایر عوامل محیطی مانند رطوبت، قرارگیری در معرض مواد شیمیایی یا فشار مکانیکی طولانی‌مدت نیز بررسی شده است؟ چگونه از پایداری بلندمدت ساختار بتن و همچنین فعالیت میکروبی اطمینان حاصل می‌کنید؟
با وجود اینکه قبلا عملکرد این ماده را در طیف وسیعی از دما‌ها آزمایش کرده‌ایم، کاملا آگاهیم که سازه‌های واقعی بتنی با شرایط بسیار سخت‌تر و پیچیده‌تری رو‌به‌رو هستند؛ مانند چرخه‌های انجماد و ذوب، قرارگیری در معرض یون‌های مضر، رطوبت بالا یا محیط‌های نمکی-قلیایی.
در واقع، اینکه آیا سیستم سیمانی میکروبی ما در نهایت می‌تواند در مقیاس بزرگ ساخته شود و در عمل به کار گرفته شود، تا حد زیادی به عملکرد آن تحت این تنش‌های محیطی بستگی دارد. به همین علت است که در تحقیقات آینده، قصد داریم به طور نظام‌مند بررسی کنیم که چگونه این عوامل بر عملکرد سازه‌ای و فعالیت بلندمدت میکروبی تأثیر میگذارند.
دکتر لی: درک این جنبه‌های پایداری نه تنها از نظر علمی مهم است بلکه برای متقاعد کردن مهندسان، نهاد‌های نظارتی و شرکای صنعتی به اینکه این «ماده زنده» آماده به کارگیری در دنیای واقعی می‌باشد، ضروری است.
از نظر عملی، ابتدا چه کاربرد‌هایی را در دنیای واقعی مدنظر دارید؟ آیا دیوارها، پی‌ها یا پل‌های ساخته شده از این ماده می‌توانند در نهایت حسگرها، روشنایی یا لوازم الکترونیکی کوچک را بدون باتری‌های خارجی تغذیه کنند؟
پس از تکمیل و تأیید تحقیقات در مقیاس آزمایشگاهی، گام بعدی ما ساخت نمونه‌های اولیه بزرگتر خواهد بود مثلاً یک دیوار کوچک یا یک بلوک بتنی یک متر مکعبی تا عملکرد آن را در مقیاس واقعی ارزیابی کنیم.
درخصوص کاربرد‌ها در دنیای واقعی، هدف ما در حال حاضر جایگزینی سازه‌های بتنی باربر نیست. بلکه پتانسیل بالایی در اجزا غیرسازه‌ای یا نیمه‌سازه‌ای می‌بینیم؛ یعنی جایی که مقاومت مکانیکی اولویت اصلی نیست؛ به عنوان مثال ساختمان‌های کوچک بتنی نزدیک نیروگاه‌های بادی یا ایستگاه‌های انرژی خورشیدی که به دستگاه‌های الکترونیکی کم‌مصرف نیاز دارند؛ اما اغلب در مناطق دورافتاده قرار دارند.
این محیط‌ها نقطه ورودی با ریسک کم و تأثیر بالایی برای ابرخازن‌های میکروبی مبتنی بر سیمان ما فراهم می‌کنند و به ما اجازه می‌دهند در حالی که هنوز در حال بهبود عملکرد و دوام سیستم هستیم، از همین حالا کارکرد واقعی و مفیدی از آن به دست آوریم.
در حال حاضر، بزرگ‌ترین موانع فنی، اقتصادی و قانونی-نظارتی برای به‌کارگیری این فناوری در پروژه‌های واقعی ساختمانی چیست؟ تخمین می‌زنید چقدر طول می‌کشد تا این فناوری به مرحله تجاری‌سازی برسد؟
شاید بزرگ‌ترین مانع، تنها فنی نیست بلکه فرهنگی و مفهومی است. ما در تلاشیم تا ماده‌ای را دوباره تعریف کنیم که بیش از دو هزار سال است به‌صورت بنیادی یکسان باقی مانده است. برای اکثر مردم، بتن و سیمان نماد قدرت، ثبات و دوام است؛ یعنی همان پایه‌های خانه‌ها، جاده‌ها و شهر‌های ما.
اما اکنون از مردم می‌خواهیم تصور کنند که بتن فقط یک مادهٔ خام و بی‌حرکت نیست بلکه یک سیستم فعال انرژی است که می‌تواند الکتریسیته را ذخیره و آزاد کند یا حتی وقتی مواد مغذی به آن داده شود، «زنده» شود. این کار تغییری بنیادی در بینش افراد است و زمان نیاز دارد تا جامعه، مهندسان و نهاد‌های نظارتی این دیدگاه جدید را بپذیرند.
از نظر فنی، هنوز باید مکانیسم پشت این فناوری را درک کنیم و فعالیت میکروبی، دوام ماده و یکپارچگی سیستم را بهینه‌سازی نماییم.
در مورد تجاری‌سازی، با احتیاط امیدواریم. فکر می‌کنیم طی پنج تا ده سال آینده، کاربرد‌های اولیه _ مخصوصا در زیرساخت‌های هوشمند یا دورافتاده _عملا محقق شوند و راه را برای پذیرش گسترده‌تر باز کنند.
در ادامه خلاصه‌ای از این پژوهش را که از سوی دکتر لی تشریح می‌شود، مشاهده می‌کنید.
انتهای پیام/
